Partie 4. Optimisation des conditions de réalisation d’une synthèse Documents d’appui au cours

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Mélanges et transformations

Partie 4. Optimisation des conditions de réalisation d’une synthèse Documents d’appui au cours

Objectifs du chapitre

→ Notions à connaître :

 Variance : nombre de degrés de liberté d’un système à l’équilibre.

 Facteurs d’équilibre

 Optimisation d’un procédé chimique : o par modification de la valeur de K°;

o par modification de la valeur du quotient réactionnel Quotient de réaction

→ Capacités minimales :

 Reconnaître si une variable intensive est ou non un facteur d’équilibre.

 Dénombrer les degrés de liberté d’un système à l’équilibre et interpréter le résultat.

 Identifier les paramètres d’influence et déterminer s’il faut les augmenter ou diminuer pour optimiser une synthèse ou minimiser la formation d’un produit secondaire indésirable..

Grâce au critère d’évolution d’un système chimique, il est possible de déterminer si une transformation chimique va se produire dans des conditions expérimentales particulières (T,P,composition).

Mais que faire si, dans le cadre d’une synthèse industrielle ou au laboratoire, la réaction a naturellement un rendement faible ?

Que peut-on faire pour améliorer le rendement, forcer le système à aller au-delà de la position d’équilibre final naturelle ?

Problématique :

1. Quels paramètres expérimentaux peut-on contrôler pour modifier le rendement d’une transformation chimique ?

2. Comment les modifier pour améliorer ou diminuer le rendement ?

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Grillage de la blende

Le grillage de la blende ZnS(s) constitue une des étapes de l’élaboration du zinc métallique Zn(s) (photo de gauche) à partir d’un minerai (photo de droite) extrait dans une mine.

L’équation de réaction est la suivante : ZnS(s) + 3/2 O 2 (g) = ZnO(s) + SO 2 (g)

Enthalpie standard de réaction : Δ r H° - 442 kJ.mol ^-1

1. Quels sont les facteurs d’équilibre pour le grillage de la blende ?

2. Déterminer le nombre de degrés de liberté du système à l’équilibre chimique et commenter la valeur trouvée.

Pour les questions suivantes, le système est initialement à l’équilibre chimique. Une perturbation liée à la modification isolée d’un paramètre intensif ou d’une quantité de matière est opérée sur le système. On cherche à savoir si la perturbation engendre une évolution du système chimique, et si oui, dans quel sens de réaction.

3. Quel est l’effet d’une augmentation de pression à température et composition constantes ? 4. Quel est l’effet d’une augmentation de température à pression et composition constantes ? 5. Quel est l’effet d’une introduction de O 2 (g) à T, P et autres quantités de matière fixées ? 6. Quel est l’effet d’une introduction de O 2 (g) à T, V et autres quantités de matière fixés ? 7. Quel est l’effet d’une introduction de N 2 (g) à T, P et autres quantités de matière fixées ? 8. Quel est l’effet d’une introduction de N 2 (g) à T, V et autres quantités de matière fixés ?

Synthèse des réponses aux questions précédentes :

9. Industriellement, le grillage est réalisé à l’air vers 950 °C. Comparer les conditions expérimentales retenues par l’industrie avec les réponses aux questions précédentes.

Estérification

A partir des documents suivants et de vos connaissances sur la réaction d’estérification, proposer des conditions expérimentales pour optimiser le rendement et la vitesse de synthèse de l’éthanoate d’éthyle.

Doc 1 : Données relatives aux réactifs et composés organiques

Acide acétique Ethanol Acétate d'éthyle

Masse molaire (g/mol) 60,0 46,1 88,1

Masse volumique (g/L) 1,05 0,789 0,925

Température d'ébullition °C 118 78,4 77,1

Température de fusion °C 16,6 -117 -83,6

Solubilité dans l'eau Très grande Très grande 87 g/L à 20°C

Solubilité dans l'eau salée Très grande Très grande Presque nulle

-3- Doc 2 : Diagramme binaire eau-éthanol à pression atmosphérique

Doc 3 : Diagramme binaire eau-acétate d’éthyle à pression atmosphérique

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Synthèse industrielle de l’ammoniac

On s’intéresse aux conditions permettant d’obtenir de l’ammoniac NH 3 avec un bon rendement.

Exploiter les documents suivants pour répondre aux questions suivantes :

1. Quel est le rendement de la synthèse d’ammoniac réalisée dans un réacteur de volume V = 100 L, à 298 K, à partir d’un mélange initial contenant 1,0 mol de N 2 (g) et 3,0 mol de H 2 (g).

2. Commenter les conditions de température et pression choisies par l’industrie. Peut-on retrouver théoriquement ce résultat ?

3. Commenter le choix des industriels en ce qui concerne la source de diazote ? La présence de dioxygène dans l’air est-elle préjudiciable au rendement ?

4. Proposer une explication à la différence entre rendement théorique et rendement réel ?

Doc 1 :

Doc 2 :

Industriellement, l’ammoniac est produit à partir d’un mélange stœchiométrique, sous une pression P = 250 bar, et à une température de 450 °C.

Le débit d’entrée du mélange gazeux dans le réacteur est réglé de manière à ce que le temps de contact avec le catalyseur soit d’environ 1 min.

Dans ces conditions, le rendement thermodynamique est d’environ 50 %, mais le rendement réel est de 20 %. Le diazote utilisé provient de l’air. Le diazote et le dihydrogène n’ayant pas réagi sont réinjectés dans le réacteur.

La production française est de l'ordre de 3.10 ⁶ tonnes par an. La majeure partie de NH 3 est utilisée sous forme de sels ammoniacaux comme engrais ; le reste sert d'agent de synthèse minérale (acide nitrique) ou organique.

Doc 3 :

L’équation de la réaction de synthèse est : N 2 (g) + 3 H 2 (g) = 2 NH 3 (g).

Cette équation est associée aux grandeurs thermodynamiques à 298 K :  r H° = - 92 kJ.mol ^-1 et K ^° = 5,9.10 ⁵ .